2.5.1. Camera
Đối với một hệ thống xử lý ảnh thì camera được xem như là con mắt của hệ thống. Để hệ thống nhận diện đúng màu sắc nhận dạng sản phẩm và độ phân giải ảnh đúng yêu cầu đề ra thì nhóm đã chọn SJCAM SJ4000 trong đề tài nghiên cứu này.
Hình 2.11 SJCAM SJ4000 Thông số kĩ thuật:
- Kích thước: dài x rộng z cao = 29.8 x 41 x 59.2 mm - Độ phân giải: 1080p HD - Tỉ lệ khung hình: 30 fps - Độ phân giải hình ảnh: 10MP - Màu sắc: Xám đen 2.5.2. Cảm biến 2.5.2.1. Cảm biến tiệm cận
Có chức năng gửi tín hiệu điện cho khối điều khiển khi có phôi đi qua. Sử dụng cảm biến hồng ngoại E18-D80NK.
Hình 2.12. Cảm biến vật cản hống ngoại Thông số kỹ thuật:
- Dạng đóng ngắt: Thường mở (NO - Normally Open).
- Số dây tín hiệu: 3 dây (2 dây cấp nguồn DC và 1 dây tín hiệu). - Nguồn điện cung cấp: 5VDC. - Khoảng cách phát hiện: 3 ~ 80cm.
- Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở. - Dòng kích ngõ ra: 300mA.
- Chân tín hiệu ngõ ra: dạng Transistor NPN đã được kéo nội trở 10k lên VCC, khi có vật cản sẽ xuất ra mức thấp (Low-GND), khi không có vật cản sẽ ở mức cao (High-VCC).
- Chất liệu sản phẩm: nhựa. - Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ. - Kích thước: 18 x 45mm
Sơ đồ chân:
- Màu nâu: VCC, nguồn dương 5VDC. - Màu xanh dương: GND, nguồn âm 0VDC. - Màu đen: Chân tín hiệu.
2.5.2.2. Cảm biến siêu âm
Hình 2.13. Cảm biến siêu âm SRF04 Nguyên lý hoạt động:
Chân trig của module cảm biến siêu âm sẽ phát ra một xung mức cao. Nhận được xung mức cao tại loa phát sẽ phát ra sóng siêu âm lan truyền trong không khí với tốc độ 340m/s. Khi đến gặp vật cản sóng siêu âm sẽ bị phản xạ trở lại và được loa thu thu nhận. Lúc đó module sẽ tạo ra một xung mức cao có độ rộng xung bằng thời gian sóng siêu âm truyền module đến vật cản và từ vật cản về module. Khi xác định được độ rộng của xung ta sẽ tính được khoảng cách từ cảm biến đến vật cản bằng công thức:
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp hoạt động: 5VDC. - Dòng tiêu thụ: 10~40mA. - Tín hiệu giao tiếp: TTL. - Chân tín hiệu: Echo, Trigger. - Góc quét:<15 độ .
- Tần số phát sóng: 40Khz.
- Khoảng cách đo được: 2~450cm (khoảng cách xa nhất đạt được ở điều khiện lý tưởng với không gian trống và bề mặt vật thể bằng phẳng, trong điều kiện bình thường cảm biến cho kết quả chính xác nhất ở khoảng cách <100cm).
- Sai số: 0.3cm (khoảng cách càng gần, bề mặt vật thể càng phẳng sai số càng nhỏ).
- Kích thước: 43mm x 20mm x 17mm
2.5.3. LCD
Sử dụng màn hình LCD16x2 để hiển thị kết quả nhận được từ khối điều khiển.
Hình 2.14. Màn hình LCD 16x2 Thông số kĩ thuật
- LCD 16×2 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 – D7) và 3 chân điều khiển (RS, RW, EN). - 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16×2.
- Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ dữ liệu.
- Chúng còn giúp ta cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi
2.6.Khối nguồn
Nguồn cấp cho arduino uno, động cơ servo
Nguồn cung cấp cho Arduino Uno R3 ở mức điện áp 5-12VDC, dòng điện max Imax=50mA, do đó nhóm sử dụng mạch hạ áp LM2596 để hạ điện áp 24VDC từ nguồn tổ ong còn 5VDC – 3A cấp cho Arduino Uno.
Nguồn của động cơ servo cũng được đấu nối với đầu ra của mạch hạ áp LM2596 với mức điện áp 5VDC – 3A.
Hình 2.15. Mạch hạ áp LM2596
Nguồn cấp cho động cơ DC
Nhóm sử dụng nguồn tổ ong 24VDC để cấp nguồn cho toàn hệ thống. Sử dụng mạch hạ áp LM2596 hạ còn 12VDC để cấp cho động cơ của băng tải.
2.7.Băng tải
2.7.1. Khung băng tải
Khung băng tải đồng thời cũng là khung của toàn bộ hệ thống, đóng vai trò như là xương sống của cả dây chuyền. Khung băng tải được thiết kế bằng nhôm định hình 400x60x30. Để phù hợp với đề tài, kích thước và độ cao của khung phải phù hợp, chiều dài và độ rộng cũng cần phải cân đối. Vì vậy, nhóm đã xem xét và chọn độ cao của khung khi lắp đặt hoàn chỉnh là 100 (mm), chiều rộng là 60 (mm), dài 520 (mm). Ở đây, các kích thước đã được tinh chỉnh trong quá trình thiết kế trên phần mềm để vừa đảm bảo tính khoa học, vừa đảm bảo tính thẩm mĩ.
Hình 2.17 Nhôm định hình
2.7.2. Con lăn băng tải
Con lăn được tính toán để lựa chọn theo tiêu chuẩn, ở đây, nhóm lựa chọn loại ổ lăn có đường kính trục nhỏ là 6(mm), đường kính ngoài là 30 (mm).
2.7.3. Dây tải
Chọn dây tải có chất liệu nhựa PVC , chiều dày 1 (mm), rộng 60 (mm), chiều dài có thể tiến hành cắt và nối khi tiến hành chế tạo thực.
Hình 2.19 Dây tải PVC
2.7.4. Động cơ DC
Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của "Direct Current Motors") là động cơ điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói dễ hiểu hơn thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC, điện áp 1 chiều (khác với điện áp AC xoay chiều). Đầu dây ra của đông cơ thường gồm hai dây (dây nguồn- VCC và dây tiếp đất- GND). DC motor là một động cơ một chiều với cơ năng quay liên tục.
Cấu tạo: Gồm có 3 phần chính: stator (phần cảm), rotor (phần ứng), và phần cổ góp- chỉnh lưu.
- Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện.
- Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều. - Bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi
chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.
2.8.Cánh tay robot
2.8.1. Khung cánh tay robot
Sử dụng nguyên liệu nhựa PLA để gia công in 3D. Đây là một loại nhựa nhiệt dẻo phân hủy sinh học có nguồn gốc từ các nguồn tái tạo. Nhựa in PLA là một trong những nhựa in 3D FDM phổ biến trên thị trường. Loại nhựa này có giá thành khá thấp, dễ in và có nhiều màu sắc rực rỡ.
Hình 2.20 Nhựa PLA
2.8.2. Động cơ của các khớp
Động cơ servo là một thiết bị tự động có sử dụng lõi cảm biến phản hồi âm để điều chỉnh hành động của một cơ cấu. Trong đó RC Servo là một loại động cơ của servo được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp. Động cơ RC servo là loại động cơ có tốc độ thấp, mô - men xoắn cao và có nhiều kích thước to nhỏ khác nhau tùy vào thiết bị. Khác hẳn với động cơ DC và Stepper, động cơ RC servo không xoay ở góc 360 độ như bình thường mà loại động cơ này bị giới hạn trong phạm vi ở góc 180, 270 và 90 độ.
Phân loại động cơ RC servo dựa trên các tiêu chí: - Phân loại dựa trên nguồn cấp
- Phân loại dựa trên vật liệu làm hộp giảm tốc - Phân loại dựa trên phương pháp điều khiển
- Động cơ chính Board điều khiển tín hiệu hồi tiếp. - Dây nguồn (red).
- Dây tín hiệu vào (Yellow or White). - Dây mass (black).
- Volt kế.
- Trục/ bánh răng output . - Vỏ servo.
CHƯƠNG 3 - TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC VÀ CHIỀU CAO
3.1.Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí 3.1.1. Thiết kế hệ thống cơ khí 3.1.1. Thiết kế hệ thống cơ khí
3.1.1.1. Thiết kế cánh tay robot ba bậc tự do
Hình 3.1 Bản vẽ lắp cánh tay robot
3.1.1.2. Thiết kế băng tải
Hình 3.3 Bản vẽ lắp băng tải
3.1.1.3. Thiết kế module chặn
Hình 3.5 Bản vẽ module chặn
3.1.1.4. Thiết kế module xác định chiều cao
Hình 3.7 Bản vẽ module xác định chiều cao
3.1.1.5. Bản vẽ thiết kế toàn hệ thống
Hình 3.9 Hệ thống phân loại sản phẩm
3.1.2. Tính toán hệ thống cơ khí
3.1.2.1. Tính toán lựa chọn động cơ robot
Thông số tính toán lựa chọn động cơ:
- Chiều dài khâu L1, L2, L3: 40 mm, 120 mm, 140 mm. - Khối lượng các khâu m1, m2, m3: 0.21 kg, 0.11 kg. 0.3 kg. - Khối lượng của vật là m𝑣 = 0.2 kg.
Tính toán thông số động cơ:
Động cơ khâu 3 (DC3)
Momen quay của động cơ trên cả khâu 3 là:
M3= F𝑀3. L3= (m3+ m𝑣).g. L3 (N.m) (3.1) Trong đó: F𝑀3: Lực tác dụng lên khâu 3
g : Gia tốc = 9.8 (𝑚/𝑠2)
L3: Chiều dài khâu 3
Thay 𝑚3= 0.3 kg, 𝑚𝑣=0.2 kg, L3= 0.14 m => M3= 0.686 N.m = 6.99 kgf.cm
Động cơ khâu 2 (DC2)
Vì khâu 2 ngoài trọng lực của nó còn mang theo cả trọng lực của khâu 3. Momen quay của cả động cơ trên cả khâu 2 là:
M2=( F𝑀3+ F𝑀2). L2= ( 𝑚3 + 𝑚2 + 𝑚𝑣 ).g.L2 (N.m) (3.2) Trong đó:
F𝑀3 : Lực tác dụng lên khâu 3
F𝑀2 : Lực tác dụng lên khâu 2
L2: Chiều dài khâu 2
Thay m3=0.3 kg, m2=0.11 kg, m𝑣=0.2 kg, L2= 0.12 m => M2= 0.717 N.m = 7.311 Kgf.cm
Động cơ khâu 1 (DC1)
Vì khâu 1 ngoài trọng lực của nó còn mang theo cả trọng lực của khâu 2 và 3. Momen quay của cả động cơ trên cả khâu 1 là:
M1=( F𝑀3 + F𝑀2 + F𝑀1). L1 (N.m) (3.3) Trong đó:
F𝑀3 : Lực tác dụng vào khâu 3 F𝑀2 : Lực tác dụng vào khâu 2 F𝑀1 : Lực tác dụng vào khâu 1 L1: Chiều dài khâu 1
=> M1= 0.321 N.m = 3.273 Kgf.cm
Dựa vào thông số đã tính nhóm lựa chọn sử dụng động cơ servo MG996R với lực kéo 9.4 kgf. cm (4.8V), 11kgf.cm (6V). Hình 3.10. Động cơ servo MG996R Thông số kỹ thuật: - Lực kéo ở 6V: 11kg. - Trọng lượng sản phẩm: 55g. - Kích thước sản phẩm: 40.7 × 19.7 × 42.9mm. - Lực kéo: 9.4kg / cm (4.8V), 11kg / cm (6V).
- Tốc độ xoay: 0.17 giây / 60 độ (4.8 v) 0.14 giây / 60 độ (6 v). - Điện áp làm việc: 4.8-7.2V.
- Nhiệt độ hoạt động: 0 ℃ -55 ℃. - Vật liệu bánh răng: Kim loại
3.1.2.2. Lựa chọn thông số băng tải
- Vận tốc băng tải = 0.04 m/s
- Đường kính rulo D = 30 mm, đường kính trục 6mm - Khối lượng phôi mphôi = 0.2 kg
- Khối lượng băng tải m= 2kg (bao gồm khối lượng rulo, băng tải, phôi)
3.1.2.3. Tính toán, lựa chọn động cơ băng tải
Tính toán công suất động cơ
Ta có: Pdc≥ Pct (3.4)
Pct: Công suất cần thiết trên trục động cơ P: Công suất làm việc trên trục công tác Ta có F > Fms Fms = Fmst + Fmsl Fms = mphôi .g .µ + m.g.k (3.5) Trong đó: k = 1: hệ số ma sát lăn. µ = 1: hệ số ma sát trượt. Fms: lực ma sát. Fmst: lực ma sát trượt. Fmsl: lực ma sát lăn. g = 9,8 (m/s2): gia tốc trọng trường => Fms= 22 (N) Lại có Pct= 𝐹.𝑣 1000 (3.6) Trong đó: F= Fms = 22 (N) v=0.04 (m/s) => Pct = 0.88 (W) Ta có: P = 𝑃𝑐𝑡 η (3.7) η = η15. η2 . η3 (3.8) Trong đó:
η: hiệu suất của hệ truyền động. η1 = 0.995: hiệu suất ổ lăn.
η3 = 0.999: hiệu suất khớp nối
Bảng 3.1 Hiệu suất của các bộ truyền
Tên gọi Hiệu suất η
Được che kín Để hở
Bộ truyền bánh răng trụ Bộ truyền bánh răng côn Bộ truyền trục vít Tự hãm Không tự hãm với Z1=1 Z1=2 Z1=4 Bộ truyền xích Bộ truyền bánh ma sát Bộ truyền đai Một cặp ổ lăn Một cặp ổ trượt Nối trục 0.96 ÷ 0.98 0.95 ÷ 0.97 0.3 ÷0.4 0.7 ÷0.75 0.75 ÷0.82 0.87 ÷0.92 0.95 ÷0.97 0.9 ÷0.96 0.99 ÷0.995 0.98 ÷0.99 0.98 0.93 ÷ 0.95 0.92 ÷0.94 0.2 ÷0.3 0.9 ÷0.93 0.7 ÷0.88 0.95 ÷0.96 => η = 0.73 Vậy P= 1.205 (W)
Tính toán tốc độ quay của động cơ
Do động cơ và rulo của băng tải được kết nối với nhau bằng khớp nối cứng nên Ta có :
ndc = nrulo= 60.𝑣
π.𝐷 = 25.477 (vòng/ phút) (3.9) Trong đó: v=0.04 (m/s) (vận tốc băng tải)
D=0.03 m (Đường kính con lăn) Xác định momen
Ta có : Mrulo = Mdc = 𝐹.𝐷
2 (3.10) Trong đó: Mrulo: Momen của rulo
Mdc: Momen của động cơ Thay F=22 (N), D= 0.03 (m)
=> Mrulo = Mdc = 3.3 (kg.cm)
Nhóm đã chủ động tính toán và chọn các động cơ có sẵn hộp giảm tốc được bán ngoài thị trường. Mã động cơ GM37 – 550 – S550
Hình 3.11. Động cơ GM37- 550- S550 Thông số kĩ thuật:
- DC mô-men xoắn cao: 550 vòng / phút - Sử dụng điện áp: DC12.0V
- Tối đa công suất đầu vào: 40W - Tỷ lệ giảm: 1:30
- Mô-men xoắn: 9.0Kg.cm
- Chiều dài bộ giảm tốc Mô-men xoắn tốc độ hiện tại: 21.5L
3.2.Thiết kế hệ thống điện điều khiển
Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống Khối xử lý trung tâm:
- Kit arduino uno R3 Khối cảm biến:
- Cảm biến tiệm cận E18 – D80NK - Cảm biến siêu âm SRF04
Khối nguồn:
- Nguồn tổ ong 24VDC – 5A - Mạch hạ áp LM2596 – 3A Khối điều khiển tốc độ động cơ:
- Transistor NPN D718 Khối động cơ: - Động cơ servo MG996R - Động cơ DC 12V Khối hiển thị - LCD1602 có tích hợp mạch I2C
Kết nối giữa các thành phần trong sơ đồ nguyên lý - Kết nối khối nguồn với thành phần của hệ thống:
Nguồn 220VAC được cấp vào đầu vào nguồn tổ ong với đầu ra là 24VDC. Sử dụng mạch hạ áp lm2596 hạ áp còn 5VDC- 3A để cấp nguồn cho arduino, động cơ servo; 12VDC để cấp nguồn cho động cơ băng tải.
- Kết nối giữa vi điều khiển arduino uno r3 với các cảm biến và động cơ servo
Cảm biến siêu âm: Chân Trig được kết nối với D7, chân Echo được kết nối với D4
Cảm biến tiệm cận 1: Chân data được kết nối với D2 Cảm biến tiệm cận 2: Chân data được kết nối với D13 Động cơ servo khâu 1: Chân pwm được kết nối với D8 Động cơ servo khâu 2: Chân pwm được kết nối với D9 Động cơ servo khâu 3: Chân pwm được kết nối với D10 Động cơ servo kìm kẹp: Chân pwm được kết nối với D11 Động cơ servo module chặn: Chân pwm được kết nối với D12 - Kết nối giữa vi điều khiển arduino với lcd
Chân SCL và SDA của I2C kết nối với hai chân tương ứng của arduino là A4, A5
Chân GND của I2C được kết nối với chân GND của arduino - Kết nối khối điều chỉnh tốc độ băng tải
Chân tín hiệu của triết áp đấu nối với chân B của transistor NPN D718 và nối vào dương nguồn 12V.
Chân GND của triết áp đấu nối với chân C của transistor Chân E của transistor đấu với nguồn dương của động cơ DC Nguồn âm của nguồn đấu nối với nguồn âm của động cơ DC
3.3.Lưu đồ thuật toán
3.3.1. Lưu đồ thuật toán của hệ thống
Giải thích lưu đồ thuật toán :
- Cài đặt đưa hệ thống về trạng thái ban đầu - Khi khởi động hệ thống thì băng tải được bật
- Sau đó chờ tín hiệu của cảm biến tiệm cận 1 để nhận biết đã có phôi đi qua hay chưa đồng thời cảm biến siêu âm đo chiều cao phôi đi qua. - Nếu chiều cao phôi đạt yêu cầu thì phôi tiếp tục di chuyển qua vị trí